Was ist 1.6T-Ethernet? Fragen und Antworten für Netzwerk- und Testingenieure
Der nächste Meilenstein der Branche in Sachen Bandbreite hat einen Namen: 1.6T-Ethernet. Da die Technologie nun von der Standardentwicklung und Laborvalidierung in Richtung einer frühen kommerziellen Einführung voranschreitet, müssen Netzwerkarchitekten, Laborleiter und Entwicklungsteams verstehen, welche Veränderungen mit 1.6T einhergehen. Außerdem müssen sie begreifen, was diese Veränderungen für die Infrastruktur von KI-Rechenzentren bedeuten. Im ersten Teil dieser zweiteiligen Frage-und-Antwort-Reihe zu 1.6T-Ethernet stelle ich 1.6TE vor und beantworte die Fragen, die uns am häufigsten von Teams gestellt werden, die diese Technologie evaluieren.
Was ist 1.6T-Ethernet?
1.6T-Ethernet (d. h. 1.6-Terabit-Ethernet) ist die nächste Stufe auf der sich immer schneller entwickelnden Leiter der Ethernet-Bandbreiten. Es wird durch den IEEE-P802.3dj-Zusatz definiert, der von der IEEE-802.3-Arbeitsgruppe entwickelt wird, die den nächsten Zusatz zum Ethernet-Standard für 200G-, 400G-, 800G- und 1.6T-Ethernet erarbeitet. Und ja, Sie haben richtig gelesen: „dj“ ist Teil der Projektbezeichnung – ein passender Name für die Arbeit, die den Takt für die nächste Generation von Ethernet vorgibt.
Der OSFP-Formfaktor eignet sich dank seiner integrierten Unterstützung für acht elektrische Hochgeschwindigkeits-Lanes hervorragend für 1.6-T-Ethernet. Im Rahmen des OSFP-Multi-Source-Abkommens wurde bereits das OSFP1600-Modul definiert, das acht Lanes mit jeweils 200 Gbit/s unterstützt. Durch die Festlegung gemeinsamer mechanischer, elektrischer und thermischer Spezifikationen bietet das Abkommen eine standardisierte Grundlage für die branchenweite Entwicklung von 1.6-T-Modulen.
Um eine Gesamtdatenrate von 1.6 Tbit/s zu erreichen, nutzt eine 1.6-T-Ethernet-Schnittstelle acht 200-Gbit/s-Lanes in jeder Richtung – das Doppelte der pro Lane verwendeten Datenrate im Vergleich zu 800G-Ethernet. Anders ausgedrückt: Eine 1.6-T-Verbindung überträgt den Datenverkehr gleichzeitig über acht separate 200-Gbit/s-Kanäle in jede Richtung.
Auf der elektrischen Seite ermöglicht die SerDes-Technologie der neuen Generation, die von der OIF’CEI-224G-Spezifikationsgruppe der OIF unterstützt wird, ermöglicht Signalübertragungsraten von etwa 224 Gbit/s pro Lane unter Verwendung der PAM4-Modulation. Diese höhere Übertragungsrate von 224 Gbit/s deckt den Protokoll- und FEC-Overhead ab, der zur Unterstützung einer Ethernet-Lane-Rate von 200 Gbit/s erforderlich ist.
1.6-T-Steckmodule kommen in verschiedenen optischen Konfigurationen auf den Markt, darunter DR8, 2 x DR4 und 2 x FR4. Jedes Modul verfügt über acht 200-Gbit/s-Lanes, wobei die Konfigurationen so ausgelegt sind, dass sie unterschiedliche Glasfaserarchitekturen und Reichweiten unterstützen – von parallelen Singlemode-Glasfaserverbindungen über Hunderte von Metern bis hin zu Wellenlängenmultiplex-Verbindungen mit einer Reichweite von bis zu 2 km. Diese Module werden im Einklang mit den sich abzeichnenden IEEE 802.3dj-Spezifikationen entwickelt und nutzen eine CMIS-konforme Verwaltungsschnittstelle über I²C. Dies bietet einen gemeinsamen Rahmen für Konfiguration, Diagnose, Überwachung und Firmware-Verwaltung und trägt dazu bei, dass 1.6T-Module mit denselben Verwaltungstools funktionieren, die bereits aus früheren Technologien wie 400G und 800G bekannt sind.
Wie unterscheidet sich 1.6-T-Ethernet von früheren Ethernet-Übertragungsraten?
Der wesentliche Unterschied zwischen 1.6-T-Ethernet und 800G-Ethernet ist die Umstellung auf acht 200-Gbit/s-PAM4-Lanes. Während die Ethernet-Kapazität bisher entweder durch Hinzufügen weiterer Lanes, durch Erhöhung der Datenrate pro Lane oder durch beides gesteigert wurde, behält 1.6T-Ethernet die bei 800G verwendete Acht-Lane-Architektur bei und verdoppelt die Datenrate pro Lane von 100 Gbit/s auf 200 Gbit/s.
Bei dieser höheren Symbolrate ergeben sich deutlich größere Herausforderungen bei der Implementierung, wie z. B. größere Einfügungsdämpfung, Rauschempfindlichkeit und Intersymbolinterferenz (ISI). Dies erfordert eine fortschrittlichere Entzerrung von Sender und Empfänger, um eine zuverlässige Signalleistung aufrechtzuerhalten.
Um Anwendungen mit größerer Reichweite zu unterstützen, Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) muss sich parallel zur physikalischen Schnittstelle weiterentwickeln. Bisherige Ethernet-Implementierungen mit 100 Gbit/s pro Lane stützen sich in der Regel auf die äußere Reed-Solomon-FEC, die von der physikalischen Codierungs-Unterschicht des Ethernet verwendet wird. Für viele PHYs mit 200 Gbit/s pro Lane führt IEEE P802.3dj eine verkettete FEC-Architektur ein, bei der eine innere FEC-Schicht Fehler näher an der physikalischen Lane korrigiert, bevor die Daten an die äußere FEC-Schicht weitergeleitet werden. Diese zusätzliche innere FEC-Schicht stellt eine wesentliche Änderung gegenüber herkömmlichen 400G- und 800G-Implementierungen dar. Daher muss ein vollständiger 1.6-T-Ethernet-Testplan möglicherweise die Leistung der inneren FEC, die Leistung der äußeren FEC sowie das Zusammenspiel zwischen beiden bewerten – und nicht nur die endgültige Bitfehlerrate nach der FEC.
Es gibt noch einige weitere wichtige Unterscheidungsmerkmale. Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal ist das Symbol-Multiplexing, bei dem FEC-Symbole anstelle einzelner Bits auf die physikalischen Kanäle verteilt werden.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied besteht darin, dass das Link-Training – obwohl es in einigen Fällen nach wie vor optional ist – für bestimmte Schnittstellen (d. h. elektrische Schnittstellen) an Bedeutung gewonnen hat und manchmal sogar zwingend erforderlich ist. Die Definition und Terminologie dieser Parameteraushandlung entwickeln sich jedoch hin zu einem detaillierteren und umfassenderen Austausch, der möglicherweise eine oder mehrere Inter-Sublayer-Verbindungen (ISLs) umfasst, und der Prozess wird zudem in „Autonomous Path Startup“ (APSU) umbenannt.
Warum ist 1.6T-Ethernet für Netzwerke zur Verbindung von Rechenzentren wichtig?
Die KI-Infrastruktur ist ein wesentlicher Treiber für den Übergang zu 1.6-T-Ethernet. Größere GPU-Cluster und zunehmend verteilte KI-Workloads erfordern mehr Bandbreite für Scale-out-Verbindungen innerhalb von Rechenzentren und Scale-across-Verbindungen zwischen Rechenzentren. Durch die Erhöhung der Übertragungsrate jedes Ethernet-Ports von 800 Gbit/s auf 1.6 Tbit/s können Switches und optische Module der nächsten Generation doppelt so viele Daten pro Port übertragen und gleichzeitig die höhere Netzwerkdichte unterstützen, die von KI-Fabrics gefordert wird.
Kupfer hat seine Grenzen erreicht – oder zumindest einen Großteil davon. Mit steigenden Übertragungsraten pro Lane nimmt die praktische elektrische Reichweite ab. Die Übertragung eines Signals der 224G-Klasse über Kupfer über mehr als sehr kurze Entfernungen hinweg stellt bereits eine erhebliche technische Herausforderung dar, weshalb die Branche die Optik immer näher an den Switch-ASIC heranrückt.
Die Leistungsaufnahme ist die andere Einschränkung, die Ingenieure nicht ignorieren können. DSP-basierte 1.6T-Steckmodule verursachen echte Energiekosten, und der Stromverbrauch wird zunehmend zu einem zentralen Designfaktor statt nur zu einer Randnotiz. Der Druck, den Energieverbrauch pro Bit zu senken, ebnet den Weg für lineare steckbare Optik (LPO) und lineare Empfangsoptik (LRO), die auf den herkömmlichen Modul-DSP verzichten, um Stromverbrauch, Latenz und Wärmeentwicklung zu reduzieren. Die genauen Energieeinsparungen (die bis zu 50 % betragen könnten) hängen von der Umsetzung ab, doch dieser Kompromiss prägt bereits die Architektur und die Designentscheidungen der 1.6-T-Module der nächsten Generation.
Speziell für Rechenzentrumsverbindungen (DCI) ist 1.6T besonders wichtig, da es Betreibern ermöglicht, die effektive Portbandbreite zu verdoppeln, ohne die Anzahl der physischen Ports, Transceiver oder den Platzbedarf in Rack-Einheiten zu verdoppeln. Je nach optischer Konfiguration kann dadurch auch die Anzahl der für eine bestimmte Gesamtkapazität erforderlichen Glasfaserverbindungen reduziert werden – ein bedeutender Vorteil, da die Budgets für Strom und Platz in Rechenzentren immer knapper werden, während der KI-Datenverkehr weiter zunimmt.
1.6-T-Ethernet bietet die Bandbreitendichte, die KI-Infrastrukturen benötigen, stellt jedoch auch höhere Anforderungen an Signalintegrität, FEC-Leistung, Wärmemanagement und Interoperabilität. In Teil zwei werden wir uns damit befassen, was diese Herausforderungen für das Testen von 1.6-T-Ethernet bedeuten – und welche Fähigkeiten Ingenieure benötigen, um die Leistung zuverlässig zu validieren.
